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1、第3章 光纤与光缆,内容提要, 3.1 光纤的结构与类型 3.2 光纤的传输原理 3.3 光纤的传输特性 3.4光纤的拉制 3.5几种常用光纤 3.6光纤的成缆与选用,教学提示：,教学重点： 光纤结构对传输特性的影响，单模光纤的传输特性、光纤的主要参数。,教学目的： 了解光纤的结构和光纤的种类。 掌握光纤的传输原理和衰减、色散特性、光缆的类型及选择方法。,一、对光纤（传输材料）的要求,衰减损耗要小，减少中继处理的次数，降低传输成本； 信号经传输后波形失真小，色散小，可以提高信号在介质中的传输速率；,抗干扰能力强，以使信号在传输环境较差、干扰厉害的场合也可正常进行信号传送； 信道的传输容量大，频
2、带宽度要足够宽，以解决待传输信息量的不断增长问题。, 3.1 光纤的结构与类型,1、传输信号对材料要求：,电线电缆、光纤光缆、空中电磁波。,光纤在目前阶段可以说是有线通信网中最优良的传输介质，因为光纤的损耗、色散及抗干扰能力等均比电缆好得多。,随着对光纤技术的继续深入研究，光纤的制造工艺水平不断提高，使光纤的质量和传输特性逐步得到改善，价格也逐年下降。,2、目前信号传输媒质,二、光纤结构与类型,为了满足光纤中光信号的传输要求，根据光的传输原理和传输特性，光信号在光纤内传输过程中要求全反射，以减少光信号在传输过程中的辐射损耗，因此光纤的结构和材料选择要满足一定的技术要求。,1、光纤的结构,光纤是
3、由传输光信号的光纤芯、提供反射面的包层、外加涂敷层和外保护套构成,（1）纤芯-传递光信号,纤芯直径: 头发丝粗细相当 多模光纤:50m100m 单模光纤：8m10m 作用：光信号的传输路经 材料：玻璃或塑料，超高纯度石英玻璃(SiO2)制作的光纤具有很低的传输损耗，各种技术性能都较好。 折射率n：光纤芯的折射率n1通常在1.5左右,（2）包层-提供反射面,反射面： 纤芯与包层的交界面为在纤芯内传输的光线提供一个光滑的反射面，起到光隔离、防止光泄漏的作用。 全反射条件： 纤芯折射率n1大于包层的折射率n2，使光信号在传输过程中形成全反射，构成一条光通道。,导光过程：纤芯、包层作用示意图 光源位置
4、n0 （） 、入射角n1 （i ）、 反射角n1 （r ）折射角n2 （t）,（3）涂敷层,作用：保护光纤不受水汽和各种有害物质的侵蚀、防止光纤被划伤，同时还可增强光纤的柔韧性，增加光纤的机械强度，提高抗老化性能。 材料：环氧树脂或硅胶在包层外面涂敷一层保护层。,（4）保护套,作用：加装外保护套除了可保护光纤不受损伤外，还可增加机械强度，为了提高光缆的抗拉性能，便于光缆的工程敷设。 保护光缆： 要在光缆内增设金属加强芯，特殊应用场合的光缆，如海底光缆，还要加装铠甲，做成铠装光缆，防止鱼类等海洋动物咬伤光缆，保证信息传输道路的正常顺通。,2、光纤的种类,光纤用来作为光信号传输的介质，根据传输特性
5、、传输模式数量、制造光纤所用材料、纤芯折射率分布规律等，可将光纤按如下方式分类：,（1）按光纤原材料分类,石英光纤： 材料：纤芯和包层都是由高纯度的SiO2掺入适量杂质制成(GeO2.SiO2和P2O5做纤芯，用B2O3.SiO2做包层)。 特性：这种光纤的损耗最低，强度和可靠性最高， 性能最优良，因此使用最广泛，但价格较高。,多组份玻璃纤维光纤：,例如用钠玻璃(SiO2.Na2O.CaO)掺入适当杂质制成的光纤，该光纤的损耗虽然较低，但强度和可靠性等方面还存在一些问题，有些技术问题还有待于解决。,塑料包层光纤：,这种光纤的纤芯是用石英玻璃材料制成，它的包层一般是用硅树脂塑料材料来制作。 全塑
6、光纤： 该光纤的纤芯和包层都是由塑料制成，其价格较低，但传输损耗较大，且可靠性也存在一定程度的问题。,（2）按纤芯折射率n径向分布,目前通信用光纤根据纤芯横截面上折射率的径向分布情况，可粗略分为阶跃型SI(Step Index)折射率分布光纤和渐变型GI(Graded Index)折射率分布光纤两大类。,A、阶跃型光纤,n1 r n2) n2 arb,阶跃型多模光纤特点： 优点：制造工艺简单（粗、折射率均匀） 缺点：模间色散太大, 脉冲展宽厉害。 原因：纤芯材料折射率分布均匀，各种模式的光信号在纤芯中的传播速度是相 等，但不同模式的光线，各自的传播路经（长短）不同，形成了模间色散。,折射率分布
7、为,n11-2(r/a)1/2n11-(r/a) ra n(r)= n2 arb,B、渐变型光纤,渐变型多模光纤特点,优点：色散小：模间色散小, 脉冲展宽小。色散时间GI比阶跃型色散延时SI小的多。 容量大：传输带宽距离乘积可达(0.22)GHzkm，比特速率距离积可达(0.310)Gb/skm，当传输比特速率为100Mb/s时，传输距离可达100km，渐变型多模光纤传输容量比阶跃型光纤大100200倍。 缺点：制造工艺复杂（控制折射率） 原因：纤芯材料折射率中心大，边沿小，模式间传播速度是不相等，（长快短慢），同时进入光纤入端不同模式的光信号，传输到达光纤出端时传播的路程长度虽不相同，但到达
8、光纤出端的时间基本相同。,（3）按纤芯中传输模式数量分类,A、多模MM光纤: 能传输几百至上千个模式.制造工艺成本较低，存在模间色散。模间色散是造成波形失真的主要原因，所以多模光纤的传输速率不会太高。,B、单模SM光纤:,定义：只能传输一种模式(基模)的光纤称为单模（SM）光纤 折射率的分布：为阶跃型 纤芯很细：通常纤芯直径d=2a=410m 。 只传输m=0的基模：模间色散为零，其总的传输色散很小，传输带宽极大。 可用于高速传输系统：单模光纤因无模间色散。,单模光纤传输特点,优点：速率高 缺点：制造工艺复杂 原因：太细 在考虑多种因素的影响时，对于传输比特速率为620Mb/s2.5Gb/s，
9、中继距离为30km以上的长距离高速率传输系统，要采用带宽极大的单模光纤作为传输介质最为合适。, 3.2 光纤的传输原理,光在光纤中传输的条件： 入射角i大于临界角c的光线，才能在纤芯与包层的反射面处形成全反射;,且经过不同路径的光波在光纤内只有相长干涉，才能在光纤中传输。否则由于折射泄漏或相消干涉，随着传输路程的增长，光功率很快减弱，在光纤中不可能传输太远的距离。,一、分析方法说明,1、几何光学,2、光的波动理论,光是一种电磁波,在光纤中传输规律遵循麦克斯韦方程,E:电场强度 D=E:电感强度,H:磁场强度 B= H:磁感应强度,由麦克斯韦方程可得到光纤的模式特性、场结构、 传输常数和截止条件
10、。,n:介质的折射率 K0:自由空间的波数 K0=20,Z0=(0/0)1/2 =377 波阻抗,：电磁波的相位常数,3、注意,根据纤芯直径d与所传输光波的波长之比d/的大小，光纤的传输原理可用几何光学理论和波导理论进行分析。 (1)对于多模光纤，d/远大于波长(d=50-100m，=0.83m)，可用几何光学的光线传输理论来分析光纤的导光原理和传输特性-简单直观。,(2)对于单模光纤，d/与波长在同一个数量级， （d=8.3m，=1.55m），就必须用波导理论来分析导光原理和传输特性-麦克斯韦方程，贝赛尔函数,二、光传输的基本特性,（1）相对折射率差 阶跃型光纤的 光纤纤芯的折射率 和包层的
11、折射率的相差程 度可以用相对折射指数差 来表示 定义：=(n12-n22) /2n12,是光纤的一个重要参数 相对折射率差的计算 结论： =(n1-n2) /n1 相对折射指数很小的光纤称为弱导波光纤 渐变型光纤的 = (n(0)2-n(a) 2) /2n(0)2,1、光纤的特性参数,（2）数值孔径NA,数值孔径NA：表示光纤捕捉光射线能力的物理量。 定义: NA=(n12-n22)1/2为光纤的数值孔径（Numerical Aperture）。 关系：NA是最大入射角max的正弦，即： NA=(n12-n22) = sin max n1(2)1/2 式中=(n1-n2)/n1是光纤的相对折射
12、率差,说明：数值孔径是光纤的一个重要参数， NA越大表示光纤捕捉射线的能力就越强。其值取决于芯包折射率差，越大， NA越大，光纤的聚光能力越强，它反映最大可接收角max的大小。但是NA越大，使带宽下降。通常用于通信的光纤的数值孔径取值范围在0.10.3之间。 对于阶跃型光纤，数值孔径为常数,本地数值孔径NA(r),对于渐变型光纤，由于纤芯中各处的折射率是不同的，因此各点的数值孔径也不相同。我们把射入点r处的数值孔径称为渐变型光纤的本地数值孔径用NA(r)表示。 NA(r)= n (r) 2-n (a) 21/2,接收角的概念：光线从空气介质n0中以不同的角度从光纤端面耦合进入纤芯n1时，有的光
13、可以在光纤中传输，有的光不能在光纤中传输，其示意图如图所示。,（3）光纤的接收角,最大接收角max,经推导可得最大接收角：=sin-1(n12-n22)1/2,n1,n2,max,c,900- c,t=900,n2,扩大临界角c的方法,（1）目的 max正比c 因为入射临界角 c =sin-1(n2/n1)， 为了尽量扩大临界角c ，以便使光源的光信号能更容易耦合进光纤。,（2）方法：包层折射率n2应尽可能接近纤芯折射率n1 。当然n2的增大也可减少光线在包层介质n2中的穿透深度。 （3）加大光纤直径： （4）提高制造工艺：从光的传输原理可知，为了满足光信号的传输，光纤的制造工艺要保证使纤芯和
14、包层的不圆度和不同心度尽可能小。,例 某阶跃型多模光纤的纤芯折射率n1=1.480，包层的折射率n2=1.460，该光纤的纤芯直径d=2a=100m，设光源所发出的光波长=850nm，计算从空气（n0=1）射入该光纤内时，该光纤的数值孔经NA、最大可接收角为多少？ 解： （1）该光纤的数值孔经 NA=(n12-n22)1/2=(1.4802-1.4602)1/2 =0.2425（0.1-0.3） （2）sinmax = NA/ n0=0.2425/1=0.2425，可得 max =140 ，所以=2 max =280,三、光在光纤中传输模式,对于特定的光纤结构，只有满足一定条件的光(电磁波)才
15、可以在光纤中进行有效的传输，这些特定的电磁波称光纤模式。 当光纤的结构尺寸和径向折射率一定时，在该光纤中传播光的模式是一定的。,在光纤中可传输的模式数量与具体结构尺寸和折射率的径向分布有关。 只支持一种模式的光纤称单模光纤，支持多个传导模式的光纤称多模光纤。,1、光纤的V参数（归一化频率 ）,对于阶跃型折射率光纤，可以用V参数来反映其基本特性，V参数也称归一化频率，其表达式为： V=2a(n12- n22)1/2/ =2a n1 (2) 1/2/ =2a NA/,V参数与光纤的几何尺寸2a、光纤的折射率n1和n2有关，所以V参数也是描述光纤特性的重要参数。 当V2.405时，只有一种模式可通过光纤芯传输，当减少纤芯直径使V参数进一步减小时，光纤内仍能支持这一种模式，但是该模式进入包层的场强增加了。因此该模式的一些光功率被损失掉了。一般单模光纤比多模光纤具有更小的纤芯直径和较小的相对折射率差。,2、光纤的截止波长c,当V2.405时，假如光源的波长足够小，高阶模也将在光纤内传输，所以光纤变成了多模光纤。,c是单模传输的最小波长，称为截止波长，所以单模光纤的截止波长c由 V=2a(n12- n22)1/2/c =2.405得出 c=2a(n12- n22) 1/2/2.405,3、阶跃光纤的传输,当V2.405时，只有一种
